異種機能集積による無線送信回路の広帯域化に関する研究

• Project/Area Number: 12J05783
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 白根 篤史 東京工業大学, 総合理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2012: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 集積回路 / 無線通信 / CMOS / 異種機能集積 / パワーアンプ / 低消費電力 / 昇圧回路 / 変調回路 / 広帯域 / MEMS / 可変インダクタ

Outline of Annual Research Achievements

最終年度である本年は、異種機能集積技術を用いることで広帯域化を含む高機能化を実現する無線トランシーバを設計し、その試作評価を通して有効性を確認した。
昨年度は、無線送信回路の高機能化について研究を進めてきた。本年度は、送信回路単体からさらに無線トランシーバにまで発展させることにより、さらなる高性能化、そして高機能化を実現した。具体的には、本無線トランシーバは、バッテリーレスで動作し、さらに周波数利用効率の高い無線通信を行うことが可能である。
バッテリーを搭載せずに無線トランシーバを動作させるため、送信回路および受信回路の消費電力は極めて低くしなければならない。従来トレードオフ関係にある消費電力と周波数利用効率を、同時に向上させるため、昨年度提案した送信回路をさらに進化させた直交バックスキャタリング送信回路を提案した。直交バックスキャタリングは、異種機能集積技術をもとに考案した技術であり、従来のバックスキャタリング技術の低消費電力に加えて、直交変調を可能にすることで、周波数利用効率を向上させる。
以上の無線トランシーバを、実際にSi CMOS 65nmプロセスを用いて試作し、提案技術の有効性を確認した。試作した無線トランシーバは、送信回路において、113μWの消費電力で32QAM変調という非常に周波数効率の高い変調方式を実現した。そのときの、データレートは2.5Mbpsであり、無線通信の評価指標である1bitあたり通信するのに必要なエネルギーは45pJ/bit、また周波数利用効率を示す1Hzあたりの通信容量は3.3bps/Hzである。この結果は、100μW程度という低い消費電力の無線トランシーバの周波数効率としては、非常に高いものであり、半導体のオリンピックとも呼ばれる国際固体素子回路会議 (ISSCC 2015) において発表を行った。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] An RF Energy Harvesting Power Management Circuit for Appropriate Duty-Cycled Operation (2015)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Hiroyuki Ito, Noboru Ishihara, and Kazuya Masu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Issue: 4S Pages: 04DE11-04DE11
  • DOI: 10.7567/jjap.54.04de11
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An 8-ch, 20-V Output CMOS Switching Driver with 3.3-V Power Supply for Integrated MEMS Devices Controlling (2014)
  • Author(s): Motohiro Takayasu, Atsushi Shirane, Sangyeop Lee, Daisuke Yamane, Hiroyuki Ito, Xiaoyu Mi, Hiroaki Inoue, Fumihiko Nakazawa, Satoshi Ueda, Noboru Ishihara, and, Kazuya Masu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: vol. 53(ISSN0021-4922)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Multi-Band Quadrature Clock Generator With High-Pass-Filtered Pulse Injection Technique (2013)
  • Author(s): Sang yeop Lee, Tatsuya Kamimura, Shin Yonezawa, Atsushi Shirane, Sho Ikeda, Hiroyuki Ito, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Journal Title: IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS Volume: Vol. 23 Pages: 96-98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Planar Solenoidal Inductor in Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical Systems Technology for Variable Inductor with Wide Tunable Range and High Quality Factor (2012)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Hiroyuki Ito, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol. 51
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A 5.8GHz RF-Powered Transceiver with a 113 μ W 32-QAM Transmitter Employing the IF-based Quadrature Backscattering Technique (2015)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Haowei Tan, Yiming Fang, Taiki Ibe, Ito Hiroyuki, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Organizer: ISSCC報告会 2015
  • Place of Presentation: 神戸大学・梅田インテリジェントラボラトリ, 大阪府大阪市北区鶴野町
  • Year and Date: 2015-03-10
  • Invited
• [Presentation] IF直交バックスキャタリング回路技術を用いた113μW 32-QAM送信機 (2015)
  • Author(s): 白根 篤史, 譚 昊イ, 方 一鳴, 伊部 泰貴, 伊藤 浩之, 石原 昇, 益 一哉
  • Organizer: 第38回アナログRF研究会
  • Place of Presentation: 中央大学, 東京都文京区春日
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-03
  • Invited
• [Presentation] 5.8GHz RF-Powered Transceiver with a 113 μ W 32-QAM Transmitter Employing the IF-based Quadrature Backscattering Technique (2015)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Haowei Tan, Yiming Fang, Taiki Ibe, Ito Hiroyuki, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Organizer: International Solid-State Circuits Conference (ISSCC2015)
  • Place of Presentation: Marriott Marquis, San Francisco, CA, USA
  • Year and Date: 2015-02-22 – 2015-02-26
• [Presentation] An RF Energy Harvesting Power Management Circuit with Timing Detection (2014)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Ito Hiroyuki, Noboru Ishihara, and Kazuya Masu
  • Organizer: International Conference on Solid-State Devices and Materials (SSDM 2014)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [Presentation] RFエナジーハーベスタにおけるインピーダンス変換回路に関する考察 (2013)
  • Author(s): 白根篤史, 伊藤浩之, 石原昇, 益一哉
  • Organizer: RF研究会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2013-11-19
• [Presentation] A Process-Scalable RF Transmitter Using 90nm and 65nm Si CMOS (2013)
  • Author(s): Atsushi Shirane, Hiroyuki Ito, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Organizer: IEEE VLSI Design, Automation and Test (VLSI-DAT)
  • Place of Presentation: Hshinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2013-04-23
• [Presentation] An 8-ch, 20-V Output CMOS Switching Driver with 3.3-V Power Supply for Integrated MEMS Devices Controlling (2013)
  • Author(s): Motohiro Takayasu, Atsushi Shirane, Sangyeop Lee, Daisuke Yamane, Hiroyuki Ito, Mi Xiaoyu, Hiroaki Inoue, Fumihiko Nakazawa, Satoshi Ueda, Noboru Ishihara, Kazuya Masu
  • Organizer: Int. Conf. on Solid State Devices and Materials (SSDM 2013)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
• [Presentation] A Process-Scalable RF Transceiver for Short Range Communication in 90 nm Si CMOS (2012)
  • Author(s): Atsushi Shirane
  • Organizer: IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2012
  • Place of Presentation: Palais des Congres de Montreal Montreal, (Canada)
  • Year and Date: 2012-06-19
• [Presentation] 徹細CMOSプロセスを用いたMEMS駆動用26V出力チャージポンプ回路 (2012)
  • Author(s): 白根篤史
  • Organizer: LSIとシステムのワークショップ2012
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場(福岡)
  • Year and Date: 2012-05-29